用于組織工程的生物材料與其他應(yīng)用的生物材料相比，生物降解行為是其獨特的性能，尤其是材料降解速率的調(diào)節(jié)是目前組織工程支架材料的研究的一個關(guān)鍵問題，有必要向讀者簡要介紹生物降解材料的一些基本常識。

一、降解的基本概念與類型

1．降解的定義　降解是物質(zhì)分子量變小的化學(xué)反應(yīng)總稱，其中包括分子鏈的解聚、無規(guī)斷鏈、側(cè)基和低分子物的脫除等反應(yīng)。生物降解通常是指能在分泌酶的微生物（細菌、真菌）的作用下導(dǎo)致材料分子量降低的過程。對于醫(yī)用生物降解材料而言，是指在生物體內(nèi)的體液、酶、細胞等多種因素的綜合作用下，材料分子量減小的過程。

2．降解材料的分類

（1）按材料降解的機制可分為生物降解、物理降解、化學(xué)降解、機械降解等。

（2）按材料降解的破裂方式和程度可分為完全降解材料（如天然高分子及其衍生物合成高分子微生物合成高分子等）和不完全降解材料（如共混、復(fù)材料等）。

（3）生物降解材料同樣可分為完全降解材料和不完全降解材料。一般情況下組織工程用生物材料已完全降解最佳。完全生物降解材料包括天然材料（淀粉、甲殼素、纖維素、蛋白質(zhì)等）；合成材料（脂肪酯、聚醚、聚乙烯醇等）；微生物合成材料（聚乳酸、甲殼素、PHA類等）和天然礦物質(zhì)等。

3．常見的幾種生物降解材料　目前已經(jīng)工業(yè)化的生物降解材料從原料的來源可分為天然材料和合成材料。

天然材料主要包括淀粉、纖維素、甲殼素、膠原、多糖等，甚至包括稻草、麥秸、谷殼、木屑在制造一次性餐具和地膜中的應(yīng)用。合成材料主要有三大類。

（1）微生物聚酯：由微生物利用各種碳源發(fā)酵合成的種種不同結(jié)構(gòu)的脂肪族共聚酯，如3－羥基丁酸，3－羥基戊酸酯的共聚物。乙二醇與脂肪族二元酸的縮合產(chǎn)品，以及聚ε－己內(nèi)酯（PCL），均為微生物合成的完全降解材料。

（2）聚乳酸：由玉米經(jīng)乳酸菌發(fā)酵得到的乳酸聚合后得到的聚合物，這種聚合物中含有大量的酯鍵，在水、酶和微生物的作用下最終可完全降解為水和二氧化碳。

（3）其他：聚酰胺共聚物、聚氨基酸、脂肪酯、芳香族聚酯的共聚物等。

二、降解機制與過程

1．熱降解　熱氧化分解是高分子降解的最基本形式，熱降解主要有解聚、無規(guī)斷鏈、側(cè)基脫除三類。研究熱降解的方法有熱重分析法、恒溫加熱法和差勢分析法。一些高分子受熱時，主鏈的任何部位都可能斷裂，分子量迅速下降，但單體收率很低，稱為無規(guī)斷鏈。例如PE、PST的降解幾乎無單體產(chǎn)生。一些大分子的側(cè)鏈或取代基也會脫除下來，PVC在180～200℃時開始脫氯化氫。

2．機械降解　高分子材料在塑煉、熔融擠出，高分子的溶液的攪拌，超生處理等都能使大分子斷鏈而降解。機械力作用過大時，大分子會斷裂形成一對自由基。有氧存在時，則形成過氧自由基。機械降解時，分子量的降低與力的作用時間有關(guān)，但降低到某一值時不再變化。

3．氧化降解　材料中的一些化學(xué)鍵可以發(fā)生氧化反應(yīng)，使分子鏈斷裂降解。分子可氧化的順序是：

烯丙基上的氧＞三級碳上的氫＞二級碳上的氫＞一級碳上的氫

一般高分子材料在玻璃化溫度以上，無定型序區(qū)易被氧化而結(jié)晶區(qū)不易被氧化。

4．光解和光氧化　能否進行光解主要取決于光的能量和鍵能的相對強弱，一般光能大于化學(xué)鍵的離解能就能使鍵斷裂。在光解過程中如果有氧的存在，光解后的激發(fā)態(tài)的C—H鍵易被氧所脫除，形成氫過氧化物，然后按氧化機制降解。

5．化學(xué)降解　化學(xué)降解多指水解反應(yīng)，一般而言，高分子材料在實際應(yīng)用過程中，所處的環(huán)境與水的接觸是不可避免的。含極性基團的聚合物，如尼龍和纖維素，含水量不多時，水分起著一定增塑、降低剛性、硬度和屈服強度的作用，但在溫度較高濕度較大時就會發(fā)生水解反應(yīng)。聚乳酸在溫和的條件下就極易水解成乳酸，乳酸再經(jīng)生物作用生成水和CO2。

6．生物降解　天然高分子材料和部分合成高分子材料在有利微生物產(chǎn)生的酶的作用下，使蛋白質(zhì)和多糖類物質(zhì)之間的肽鍵和糖苷鍵水解成水溶性產(chǎn)物。而合成材料的生物降解過程會伴有一定的水解過程，例如聚酯類合成材料在活性組織內(nèi)的降解可分為五個過程：①水合作用。植入體內(nèi)的材料從周圍環(huán)境中吸收水分，該過程可維持幾天甚至幾個月，取決材料的性能和表面積。②主鏈的水解和酶解使化學(xué)鏈斷裂，導(dǎo)致分子量和力學(xué)性能下降。③強度消失以后，樣品成低聚物碎片。④低聚物碎片被吞噬細胞吸收或進一步水解成為單體而溶解。⑤進一步水解，最終產(chǎn)物通過新陳代謝和呼吸作用被吸收和排除體外。

三、降解與吸收

組織工程支架材料最重要的性能之一就是材料的降解速率和降解產(chǎn)物的可吸收性，對與細胞構(gòu)成復(fù)合體的生物材料要求更高。對用于人體的可降解吸收材料，人們首先關(guān)心的是它的歸宿和降解產(chǎn)物是否有毒，以及如何人為地控制降解速度。為此，首先要了解引起降解的原因以及如何人為地控制降解速度。

材料在體內(nèi)的降解和吸收是受生理環(huán)境作用的復(fù)雜過程，包括物理、化學(xué)和生化因素。物理因素主要是外應(yīng)力，化學(xué)因素主要有水解、氧化及酸堿作用，生化因素主要是酶解和免疫系統(tǒng)的吞噬。由于植入體內(nèi)的材料主要接觸組織和體液，因此水解（包括酸堿作用和自催化作用）和酶解是最主要的降解機制，另外降解后期，材料變成小碎片后，巨噬細胞的吞噬作用也是不容忽視。

1．材料在體內(nèi)的吸收和排泄　組織和細胞生物學(xué)方法是研究材料在體內(nèi)吸收過程的主要手段。將聚合物微粒或纖維包埋在動物體內(nèi)的特定部位，定期地取出所包埋的材料及周圍的組織，用光學(xué)或電子顯微鏡觀察組織反應(yīng)和材料變化，直到材料消失和組織反應(yīng)結(jié)束。這種研究還可評價材料的組織反應(yīng)和生物相容性。

用放射性核素標記方法可以定量地研究材料在體內(nèi)的降解、吸收和排泄。Pitt將3　H標記的聚己內(nèi)酯材料植入大鼠體內(nèi)，系統(tǒng)研究了聚己內(nèi)酯在體內(nèi)降解為碎片后的吸收和排泄過程，表明其降解產(chǎn)物最終是從糞、尿和呼吸道排出體外的。

2．影響降解的因素和降解速率的調(diào)控

聚合物的降解是由多種因素共同作用的結(jié)果，表5－1中列舉出近20多種影響降解速度的因素。

表5－1　影響聚合物降解的可能因素

上述諸因素中起決定作用的是材料本身的化學(xué)結(jié)構(gòu)，其中聚合物主鏈的易水解性和單體的親水性是最主要的因素。主鏈結(jié)構(gòu)相同的合成高分子在中性水介質(zhì)中降解的難易程度從大到小排列如下：

聚酸酐＞聚原酸脂＞聚羧酸脂＞聚氨基甲酸脂＞聚碳酸脂＞聚醚＞聚烴類

因此可以根據(jù)聚合物主鏈的結(jié)構(gòu)預(yù)言降解趨勢對聚合物進行分子設(shè)計，以制備不同降解速度的聚合物。

除主鏈結(jié)構(gòu)外，降解速度極大程度上與材料對水的親／疏水性有關(guān)。聚合物的親水性與親脂性是由單體的化學(xué)結(jié)構(gòu)和性能決定的，因此單體的親水性對聚合物的降解有決定性的影響。例如同樣是聚酸酐，由憎水的雙對羥基苯氧基丙烷制成的聚酸酐，比由親水的癸二酸制成的聚酸酐的降解速度慢3個數(shù)量級。

在實際應(yīng)用中，不能僅僅根據(jù)化學(xué)結(jié)構(gòu)來判斷材料的降解能力，聚合物的形態(tài)、起始分子量、加工過程、是否存在催化劑和其他助劑以及植入裝置的整體形狀等，都能影響材料的降解速度。在上述諸因素中，首先應(yīng)考慮那些與水滲透性有關(guān)的因素。一般認為，凡是能影響材料水滲透性的物理形態(tài)和結(jié)構(gòu)因素都能明顯影響降解性，其中形態(tài)是重要因素。聚合物的形態(tài)可分為結(jié)晶態(tài)和無定形態(tài)。

增加比表面積和多孔狀結(jié)構(gòu)等都有利于水的滲透，因而可加快降解速度。交聯(lián)結(jié)構(gòu)、規(guī)整的分子結(jié)構(gòu)、高度取向的結(jié)構(gòu)等不利于水滲透的因素，都可使降解程度減小。分子量的大小雖不影響降解速度，但分子量越大，達到失重極限的時間就越長，因而對于同一聚合物，分子量越大，有效壽命就越長。

加工過程可以影響材料的致密性，從而影響它的降解速度。例如用熔融法制成的微球是致密的，而溶劑揮發(fā)制成的微球是微孔結(jié)構(gòu)，因而后者的降解速度要比前者快得多。許多水解過程，如酯類水解，是酸、堿催化的，因此催化劑及其他助劑（增塑劑等）的存在，有可能加快降解。加工過程中高溫和應(yīng)力作用及滅菌過程的輻射作用等外界因素均會導(dǎo)致分子量下降和降解。